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连续采煤机适应性评价方法研究 张振东 中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司，山西 太原 030006 ［ 摘 要］为了确定连续采煤机在不同地质条件下的适应性，采用模糊综合评价的方法，建立 了综合评价模型，通过该模型可直接算出匹配值，从而判断出连续采煤机的适用等级，实现对连续采 煤机适应性的定量评价。通过 4 个工作面的具体实例计算，该模型的计算结果与专家评测结果具有较 高的一致性，表明该模型计算准确有效，能够切实反映连续采煤机的适用程度。 ［ 关键词］连续采煤机; 适应性; 模糊综合评价; 层次分析法 ［ 中图分类号］ TD421. 65［ 文献标识码］ A［ 文章编号］ 1006- 6225 201803- 0044- 05 Study on Adaptation uation of Continuous Coal Cutter ZHANG Zhen- dong Taiyuan Research Institute Co. ，Ltd. ，China Coal Technology ＆ Engineering Group，Taiyuan 030006，China Abstract In order to confirm adaptation of continuous coal cutter under different geological situation，and then fuzzy synthesis ua- tion was adopted，synthesis uation model was built，and then matching values could be calculated directly by the model， so adaptation level of continuous coal cutter could be judged，and quantitative uation of continuous coal cutter adaptation could be realized. According practical application of four working face，the results had better consistency contrast to experts uation results， it showed that the results of the model was accuracy，continuous coal cutter adaptation could be reflected realistic. Key words continuous coal cutter; adaptation; fuzzy synthesis uation; hierarchy process analysis ［ 收稿日期］ 2018－04－26［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11－3677/td. 2018. 03. 012 ［ 基金项目］ 山西省应用基础研究项目青年科技研究基金 201601D202051 ; 太原煤科院自立项目 M2018－19 衰老矿井连续采煤机残 采技术研究 ［ 作者简介］ 张振东 1986－ ，男，山东潍坊人，硕士，助理研究员，主要从事煤及非煤矿山短壁开采工作面设备配套选型、适应性研究 及供电设计工作。 ［ 引用格式］ 张振东 . 连续采煤机适应性评价方法研究 ［J］． 煤矿开采，2018，23 3 44－48，37. 连续采煤机诞生于 20 世纪 40 年代末期，到 50 年代日渐发展并应用于短壁机械化开采工作面， 经过将近 70 年的发展成为当前比较先进的机械化 开采技术。目前，应用连续采煤机的短壁机械化开 采技术除了在美洲之外广泛应用于澳洲、非洲、亚 洲等多个国家和地区，涵盖煤矿、固体钾盐等多个 矿种，并取得良好的效果。20 世纪 70 年代我国先 后引进了多种型号的连续采煤机，在多个矿务局得 到应用，并取得了良好的效果; 20 世纪 90 年代中 期，以连续采煤机为龙头的成套技术装备应用于神 东矿区的上湾、榆家梁等矿的掘进和回采，并取得 了良好的使用效果。近几年随着技术的不断成熟及 煤矿安全规程中的连续采煤机使用规定的明 确，连续采煤机得到大面积推广使用 ［1 ］。但是连 续采煤机的短壁开采技术应用远不如综采广泛，关 于连续采煤机选型和适应性方面的研究更是处于描 述阶段 ［2 ］，为了使连续采煤机选型实现定量化， 能更加准确地反映连续采煤机的适用性，研究用于 定量评价连续采煤机适用性的方法势在必行。 1连续采煤机适应性评价方法 连续采煤机适应性评价方法目前尚处于定性描 述阶段，各条描述之间是相互独立的并列关系，相 互之间的联系不易体现，为了更加准确并定量地描 述连续采煤机的适应性，使用基于模糊数学的模糊 综合评价法来创建影响连续采煤机适应性因素的隶 属函 数，再 用 层 次 分 析 法 Analytic Hierarchy Process，简称 AHP将与连续采煤机适应性有关 的因素分解成不同的层次 ［3 ］，并确定每个指标的 权重，最终实现连采机适应性的定量分析。 1. 1评价的因素结构及指标体系 根据评价因素结构建立原则，并结合现场实际 情况，建立矿井连采工作面煤层地质条件的评价因 素结构如图 1 所示 ［4 ］，包括瓦斯等级这个特级指 标、地质构造复杂程度、煤层稳定性等 7 个一级指 标和断层影响、陷落柱影响等 13 个二级指标。 44 第 23 卷 第 3 期 总第 142 期 2018 年 6 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 23No. 3 Series No. 142 June2018 ChaoXing 图 1连采工作面煤层地质条件的评价因素结构 1. 2连续采煤机适应性评价影响因素 增加一个特级指标瓦斯等级，是由于工作面范 围内的瓦斯压力 p 和绝对瓦斯涌出量 q 是否满足规 定是连续采煤机能否适用的先决条件 ，煤矿安全 规程中有明确规定。以下地质构造复杂程度、 煤层稳定性等影响因素的研究都是满足瓦斯适用条 件进行的研究 ［5 ］。 1. 2. 1地质构造的影响 1断层影响根据多年的连采机使用经验 和相关资料得出影响连采机适应性的主要指标为断 层密度、长度指数和落差系数。断层密度 q1用块 段内的断层条数 n1除以该块段的面积 S 的商表示。 断层长度指数 q2用该块段内各条断层的长度总和 与该块段的面积之比表示，反映的是单位面积内断 层的总长度。断层落差系数 q3定义为断层落差高 度 h 与块段内煤层开采厚度 m 的比值。通常情况 下，用煤层开采厚度的对数函数对断层落差系数 q3进行修正 q3 1 n1∑ n i 1 hi m 1 ln m 1 式中， hi为第 i 条断层的落差，m。 2陷落柱影响用陷落柱影响系数 k 来描 述陷落柱对连采机的适应性的影响， k ∑ n i 1 si s ηi， 其中， si为第 i 个陷落柱影响面积，km2; s 为该块 段的面积，km2 ; η i为第 i 个陷落柱造成的破坏厚 度与开采厚度的比。 1. 2. 2煤层稳定性的影响 煤层稳定性用以下 3 个因素来描述 煤厚变化 情况，表示为煤厚变异系数 γ ;可采程度，表示 为煤层可采性指数 Km;煤层结构变化程度，表示 为夹矸系数 G。 1煤厚变异系数 γ δ H ，δ 为均方差，δ 1 n ∑ n i 1 Hi－ H 槡 2 ，其中， H 为钻孔煤厚平均值， m; Hi为钻孔见煤厚度，m; n 为全部见煤钻孔数。 2煤层可采性指数 Km n n ，其中， n 为大 于可采厚度的钻孔数。 3夹矸系数 G 1 n ∑ n i 1 Gi Hi ，其中， Gi为钻孔 内煤层夹矸厚度，m。 1. 2. 3煤层厚度的影响 以该块段内见煤钻孔的煤厚平均值 H 来评价 煤层开采厚度，故 H 1 n ∑ n i 1 Hi。 1. 2. 4煤层倾角的影响 该块段内所有见煤钻孔煤层倾角的平均值 α 作 为评价指标 α 1 n ∑ n i 1 αi，其中， αi为第 i 个见煤 钻孔煤层倾角。 1. 2. 5煤层坚硬性的影响 用煤层综合强度 R 来评价煤层坚硬性， R 1 － G Rc G Re，式中，Re为夹矸的单向抗压 强度，MPa; Rc为煤的单项抗压强度，MPa。 1. 2. 6煤层顶底板条件的影响 煤层顶底板条件严重影响连续采煤机生产效率 和生产安全，其稳定性影响到连采工艺的选用以及 连续采煤机截割循环深度和开机率 ［6 ］。 1直接顶稳定性，表现为直接顶单向抗压 强度 σ 。 2基本顶支撑性，用直接顶与采高的倍数 比表示， N ∑ hi H 。 3伪顶影响，评价伪顶影响取伪顶厚度 h0 作为评价指标。 4底板强度，用直接底岩层的单向抗压强 度 RD表示。 54 张振东 连续采煤机适应性评价方法研究2018 年第 3 期 ChaoXing 1. 2. 7块段内空顶区域状况 块段内空顶区域状况是影响该块段正常开采的 重要影响因素，评价块段内采空区、巷道等顶板压 力未释放的区域的影响用采区空顶率影响系数 τ 作 为指标 τ LKH S 100 ，其中， LKH为块段内空顶 区域的累计面积，m2; S 为工作面的面积，m2。 1. 3评价因素隶属函数的构造 构造隶属函数有多种方法，如待定系数法，统 计分析法，多相模糊统计法等，上述方法的依据来 源于现场应用的技术总结、报告，相关可研成果， 统计分析数据和专家经验。 由于工作面范围内的瓦斯压力 p 和绝对瓦斯涌 出量 q 对连续采煤机适用性起决定作用，因此以上 两因素的隶属函数是在变量的临界值处存在断点的 常数函数，它的函数值只有 0 和 1 两个数值，因此 构造的隶属函数为 1工作面瓦斯压力隶属函数 Pw p 1 p ＜ 0. 74 0 p ≥ 0. 74 { 1 2工作面瓦斯绝对涌出量隶属函数 Qw q 1 q ≤ 3 0 q ＞ 3 { 2 1. 3. 1统计分析法 煤层倾角、煤层开采厚度和采空区空顶率等几 个因素对于工作面的产量和效率影响较为直接，而 且明显，同时以上因素的影响便于统计。通过调研 国内外多个使用连续采煤机的工作面的情况进行统 计分析，构造以上几个因素的隶属函数。 1煤层倾角的隶属函数 μα α 1. 0 0 ≤ α ＜ 8 － 1 9 α 17 9 8 ≤ α ＜ 17 0 17 ≤ α        3 2煤层开采厚度的隶属函数 μm H 3 7 H － 9 35 0. 6 ≤ H ＜ 1. 3 21 91 H － 182 455 1. 3 ≤ H ＜ 2. 6 1. 0 H ≥ 2. 6        4 3采区空顶率影响系数隶属函数 μτ τ 1τ ≤ 20 － 20 9 τ 13 9 20 ＜ τ ＜ 65 0τ ≥ 65        5 1. 3. 2待定系数法 煤层的可采性、煤层的变异情况和煤层的综合 强度等因素不如上节中的 3 个指标对产量和效率的 影响明显，但存在一些特殊的点可以凭借专家经验 做出散点图，大致可以确定隶属函数的形状和变化 趋势，通过对比简单的隶属函数曲线，最终拟合成 隶属函数的表达式。 1煤层可采性指数的隶属函数 μKm Km 0. 1Km＜ 0. 5 3Km－ 1. 40. 5 ≤ Km＜ 0. 6 1. 5Km－ 0. 50. 6 ≤ Km＜ 0. 8 2Km－ 0. 90. 8 ≤ Km＜ 0. 95 1. 0Km≥ 0. 95          6 2煤层变异系数的隶属函数 μγ γ 1 － 2γ 槡 0 ≤ γ ＜ 0. 25 0γ ≥ 0. 25 { 7 3煤层综合强度指数的隶属函数 μR R 1R ≤ 40 － 1 10R 5 40 ＜ R ≤ 50 0R ＞ 50        8 4直接顶单向抗压强度隶属函数 μσ σ 0. 1σ ≤ 25 ln 1. 68492 10 －4 σ2 0. 0116375σ 0. 70893325 ＜ σ ≤ 80 1. 0σ ＞ 80 { 9 5基本顶支撑性的隶属函数 μN N 0. 05N ＜ 0. 1 0. 4363lnN0. 1 ≤ N ＜ 1 1. 0N ≥ 1 { 10 6伪顶厚度的隶属函数 μh0 h0 1. 0h0≤ 0. 2 － 3h0 1. 6 0. 2 ＜ h0≤ 0. 5 0. 1h0＞ 0. 5 { 11 7底板单向抗压强度的隶属函数 μRD RD 0. 1RD＜ 7. 2 0. 5103lnRD－ 0. 907417. 2 ≤ RD＜ 42 1. 0RD＞ 42 { 12 8夹矸系数的隶属函数 μG G 1. 0G ＜ 5 1. 1 － 2G5 ≤ G ＜ 10 1. 4 － 5G10 ≤ G ＜ 15 2. 3 － 11G15 ≤ G ＜ 20 0. 1G ≥ 20          13 9陷落柱影响系数隶属函数 64 总第 142 期煤矿开采2018 年第 3 期 ChaoXing μk k 1. 0k ≤ 10 － 2k 1. 210 ＜ k ≤ 40 － 1. 5k 1. 040 ＜ k ≤ 60 0. 1k ＞ 60        14 1. 3. 3多元隶属函数法 多元隶属函数法用于因素特征需要多个指标 元进行表征，其可分为多个影响等级的因素的 隶属函数构造，其本质就是多相模糊统计法。依此 方法可构造断层影响的多元隶属函数 μA 2 1 exp 0. 001801 0. 0418467q1 0. 0636142q2 0. 000713287q3 15 1. 4评价因素权重的确定 评价因素权重，就是定量评价各个因素对于连 续采煤机适应性影响相对重要性。 1. 4. 1构造判断矩阵 经过对现场使用经验的总结、统计数据的分析 和专家的咨询调查，构造判断矩阵见表 1～4 所示。 表 1 A～B 层判断矩阵 AB1B2B3B4B5B6B7 B111/21/511/61/81 B2211/421/51/72 B3541511/55 B411/21/511/61/81 B5651611/55 B68758518 B711/21/511/51/81 表 2B1 ～C 判断矩阵 B1C11C12 C1115 C121/51 表 3B2 ～C 判断矩阵 B2C21C22C23 C21123 C221/212 C231/31/21 表 4B6 ～C 判断矩阵 B6C61C62C63C64 C611553 C621/5111/3 C631/5111/3 C641/3331 1. 4. 2判断矩阵权重计算 用乘积 n 次方根法求相对权系数，即 对于 A～ B 矩阵 Wi n ∏b 槡 ij ，i，j 1，2， 3，n 正规化处理 Wi Wi ∑Wi ，i1，2，3，n 对于 Bi～ C 矩阵 Wj n ∏c 槡 ijk ，i，j，k 1， 2，3，n 正规化处理 Wj Wj ∑Wj ，j1，2，3，n C 层基因素相对于 A 层权系数 Wij W i W j， i，j1，2，3，n，计算结果见表 5。 表 5 C 层基因素相对 A 层的权系数 序号基因素 C 相对权 系数 相对于 A 层 权系数 1断层影响 C110. 830. 0367 2陷落柱影响 C120. 170. 0073 3煤层可采性 C210. 540. 0376 4煤厚变异性 C220. 300. 0207 5夹矸系数 C230. 160. 0114 6煤层厚度 C311. 000. 1826 7煤层倾角 C411. 000. 0440 8煤层综合强度 C511. 000. 2083 9直接顶强度 C610. 550. 2258 10基本顶支撑性 C620. 100. 0393 11伪顶影响 C630. 100. 0393 12底板影响 C640. 250. 1024 13采空区空顶 C711. 000. 0446 1. 4. 3判断矩阵一致性检验 一致性检验指标 CI CI λmax － n n － 1 ， λ max为判断 矩阵的最大特征值。 计算得 λmax 7. 2，n7，CI0. 033，已知平 均随机一致性指标 RI1. 32 矩阵一致性检验指标计算结果 λmax 7. 2，n 7，CI 0. 033，查表知平均随机一致性指标 RI 1. 32，故随机性比值 CR CI RI 0. 025 ＜ 0. 1，判断 矩阵具有满意的一致性。 1. 4. 4综合评价模型建立 连续采煤机适应性评价是对连续采煤机的适用 程度进行多层次多因素的评价，将影响因素的评价 按一定算法折算为综合评价值，并用该综合评价值 来评测连续采煤机的适应程度。 设评价样本集 X x1，x2，，xn{} 有 m 评价 因素，其指标矩阵 X x11x1n  xm1xmn           16 因为每个评价因素都构造了评价模糊隶属函 数，上述指标值矩阵可映像为指标隶属度矩阵， μ X→R 74 张振东 连续采煤机适应性评价方法研究2018 年第 3 期 ChaoXing R r11r1n  rm1rmn           17 多重因素权重用 W w1，w2，，wm表示。 综合评价模型选用加权平均型，同时考虑到工 作面范围内的瓦斯压力 Pw和绝对瓦斯涌出量 Qw的 决定性作用，即 bj P wQw∑ n i 1 wirij，j 1，2，，m 18 式中， bj为综合评价值。 根据连续采煤机多年的使用经验，分析研究使 用过连续采煤机的百余个开采、掘进工作面，并参 考国内外多个相关领域专家的意见，将 bj分为 4 个 范围来评价连续采煤机的适用情况，见表 6。 表 6bj值范围划分 bj值＜0. 70. 7～0. 80. 8～0. 9 ≥0. 9 适用性不宜使用可以使用比较适宜非常适宜 2现场实例验证 为了验证上述方法的可行性，选取几个煤矿的 地质情况分别进行专家组评价和上述评论方法计算 评价，并将两种结果进行对比。 1A～D 矿各个工作面的地质参数和评测结 果，见表 7。 表 7A～D 矿井预选工作面地质条件参数及评测结果 地质条件参数 A 矿 415 工作面 B 矿 502 工作面 C 矿 24206 工作面 D 矿 15601 工作面 工作面瓦斯等级 工作面瓦斯压力 p/MPa00 00 工作面瓦斯绝对涌出量 q/ m3min －1 0. 851. 131. 800. 19 地质构造复杂程度 断层密度 q1/ 条km －2 0. 3200. 200 断层长度指数 q2/ mkm －2 0. 800. 50 断层落差系数 q3 0. 0700. 100 陷落柱影响系数 k0. 40 0. 100. 020 顶底板状况 直接顶岩层的单向抗压强度 σ/MPa25. 133. 047. 080. 0 基本顶支撑性0. 780. 91. 11. 5 伪顶厚度 h0 0. 360. 510. 300. 10 直接底岩层单向抗压强度 RD/MPa 23212030. 4 煤层情况 煤厚变异系数 γ0. 19 0. 0210. 020. 01 煤层可采性指数 Km 0. 850. 880. 910. 93 夹矸系数 G/27 1062 煤层平均厚度 H/m3. 8 4. 534. 66. 5 煤层倾角 α/ 9. 3 3. 42. 23. 0 煤层综合强度 R/MPa30. 226. 7 28. 025. 0 采空区空顶率影响系数 τ/36. 72. 31. 5 0. 5 综合评价值 bj 0. 6386940. 7041740. 824290. 919325 评测结果不宜使用可以用比较适宜非常适宜 2针对以上 4 个矿的基本地质情况，专家 组进行了评价 A 矿 415 工作面经过专家评测后结果为 虽然 煤层厚度、硬度符合要求，但是顶板软，基本顶支 撑性差，顶板不稳定，再加之采空区空顶区域达到 36. 7，工作面存在瓦斯，因此该种顶板不利于连 续采煤机效率的发挥，并且存在采空区瓦斯泄漏的 风险，还存在断层和陷落柱的影响，不建议采用连 续采煤机开采。 B 矿 502 工作面经过专家评测后结果为 该工 作面顶板条件偏软，伪顶厚度较大达到 0. 5m 以 上，工作面存在瓦斯，无断层因素影响，煤层厚 度、硬度、倾角等情况非常适合连续采煤机的应 用，但是使用过程中注意顶板及时支护和开采过程 中伪顶的掉落，虽然可以使用连采机，但因为顶板 的影响导致连采机能力不能完全发挥。 C 矿 24206 工作面经过专家评测后结果为 工 作面虽然存在瓦斯、断层、陷落柱等，但影响较 小，顶板条件良好，煤层情况也非常利于连续采煤 机开采，可以有一定的空顶距离，利于连续采煤机 能力的发挥，比较适宜该设备的应用。 D 矿 15601 工作面经过专家评测后结果为 工 作面瓦斯量低，无断层、陷落柱等影响，顶板条件 非常好，煤层厚度大，变化性小，倾角小，硬度适 中，夹矸量低，非常适宜连续采煤机的应用，宜选 用大采高的连续采煤机取得较高的资源回收率。 3结论 本文基于模糊数学的综合评价法建立的综合评 价模型，可实现对连续采煤机适应性的定量评价。 通过对比定量评价和专家组评价结果可知 该定量 下转 37 页 84 总第 142 期煤矿开采2018 年第 3 期 ChaoXing